Entwicklung von Werkstoffbeständigkeitsdiagrammen und Beschichtungen für chlorhaltige Umgebungen des Apparate- und Anlagenbaus

Die Hochtemperatur-Chlorkorrosion stellt in verschiedenen Bereichen der chemischen Verfahrenstechnik und der Verbrennung bzw. Vergasung von Restmüll einen begrenzenden Faktor für die Lebensdauer von Anlagen und Komponenten aufgrund der Bildung und Abdampfung flüchtiger Metallchloride dar. Durch die Wahl geeigneter Legierungen kann der Werkstoffabtrag soweit verringert werden, daß akzeptable Anlagenlaufzeiten erreicht werden können. Eine wesentliche Rolle spielen die Chlor- und Sauerstoffgehalte der Prozeßatmosphären bzw. das Verhältnis der Chlor- und Sauerstoffpartialdrücke.

Als Ergänzung zu einem vorhergehenden Projekt, das oxidierenden Atmosphären gewidmet war, befaßte sich dieses mit reduzierenden Prozeßumgebungen (Argon mit 0,2 – 2% Chlor und 1ppm – 1% Sauerstoff). Unter diesen Atmosphären wurden neun kommerzielle Legierungen bei 800°C ausgelagert und die Einflüsse der Legierungselemente Eisen, Nickel, Chrom, Molybdän, Aluminium und Silizium auf die Korrosionsbeständigkeit der Legierung ausgewertet. Molybdän und – mit Einschränkungen – Silizium können unter den reduzierenden Bedingungen eine akzeptable Korrosionsbeständigkeit bewirken. Dagegen erwiesen sich weder Aluminium noch Chrom als geeignet, um eine Schutzwirkung aufzubauen. Mit Hilfe thermodynamischer Berechnungen und der Modellierung von Strömungseinflüssen wurden Beständigkeitsdiagramme entwickelt, die Aussagen über zu erwartende Metallabtragsraten in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Sauerstoff- und dem Chlorgehalt sowie Strömungsbedingungen liefern. Hierbei wurde deutlich, daß in sauerstoffarmen Atmosphären das Kriterium eines tolerablen Dampfdrucks von 0,1mbar für die gebildeten Metallchloride nicht ausreicht. Außerdem hatte die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch die Probengeometrie einen signifikanten Einfluß auf die Korrosionsrate. Diese beiden Punkte wurden in die Berechnung der Diagramme miteinbezogen, so daß diese für beispielhafte Geometrien in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Sauerstoffgehalt und einer zulässigen Abtragsrate die zulässigen Chlorgehalte in der Atmosphäre für die Elemente Aluminium, Chrom, Eisen, Nickel und Silizium angeben.

Bearbeitet wurde das Forschungsthema von 5/2002 bis 9/2005 am Karl-Winnacker-Institut der DECHEMA e.V. (Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main, Tel. (069) 7564-0) unter der Leitung von Prof. Dr. M. Schütze (Leiter der Forschungseinrichtung Prof. Dr. G. Kreysa).